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1、实验一 PCM 编译码实验一、实验目的1. 掌握 PCM 编译码原理。2. 掌握 PCM 基带信号的形成过程及分接过程。3. 掌握语音信号 PCM 编译码系统的动态范围和频率特性的定义及测量方法。二、 实验仪器1. 双踪示波器一台2. 通信原理型实验箱一台3. M3:PCM 与 ADPCM 编译码模块和 M6 数字信号源模块4. 麦克风和扬声器一套三、基本原理1. 点到点 PCM 多路电话通信原理脉冲编码调制(PCM)技术与增量调制(M)技术已经在数字通信系统中得到广泛应用。当信道噪声比较小时一般用 PCM，否则一般用 M。目前速率在 155MB 以下的准同步数字系列(PDH)中，国际上存在
2、A 律和 律两种 PCM 编译码标准系列，在 155MB 以上的同步数字系列(SDH)中，将这两个系列统一起来，在同一个等级上两个系列的码速率相同。而 M 在国际上无统一标准，但它在通信环境比较恶劣时显示了巨大的优越性。点到点 PCM 多路电话通信原理可用图 11-1 表示。对于基带通信系统，广义信道包括传输媒质、收滤波器、发滤波器等。对于频带系统，广义信道包括传输媒质、调制器、解调器、发滤波器、收滤波器等。 低 通 滤波 器 PCM编码 器 复 接 器低 通 滤波 器 PCM编码 器 分 接 器混 合电 路 广义信道图 11-1 点到点 PCM 多路电话通信原理框图本实验模块可以传输两路话音
3、信号。采用 MC145503 编译器，它包括了图 11-1 中的收、发低通滤波器及 PCM 编译码器。编码器输入信号可以是本实验系统内部产生的正弦信号，也可以是外部信号源的正弦信号或电话信号。本实验模块中不含电话机和混合电路，广义信道是理想的，即将复接器输出的 PCM 信号直接送给分接器。2. PCM 编译码模块原理 本模块的原理方框图及电路图如图 11-2 及图 11-3 所示。图 11-2 PCM 编译码原理方框图该模块上有以下测试点和输入点： BS PCM 基群时钟信号(位同步信号)测试点 SL0 PCM 基群第 0 个时隙同步信号 SLA 信号 A 的抽样信号及时隙同步信号测试点 SL
4、B 信号 B 的抽样信号及时隙同步信号测试点 SRB 信号 B 译码输出信号测试点 STA 输入到编码器 A 的信号测试点 SRA 信号 A 译码输出信号测试点 STB 输入到编码器 B 的信号测试点 PCM_OUT PCM 基群信号输出点 PCM_IN PCM 基群信号输入点 PCM A OUT 信号 A 编码结果输出点（不经过复接器） PCM B OUT 信号 B 编码结果输出点（不经过复接器） PCM A IN 信号 A 编码结果输入点（不经过复接器） PCM B IN 信号 B 编码结果输入点（不经过复接器）本模块上有 S2 这个拨码开关，用来选择 SLB 信号为时隙同步信号SL1、S
5、L3、SL5、SL6 中的任一个。图 11-2 各单元与图 11-3 中的元器件之间的对应关系如下： 晶振 X1：4.096MH Z晶振 分频器 1/2 U1:74LS193； U6：74HC4060 抽样信号产生器 U5：74HC73；U2：74HC164 PCM 编译码器 A U10：PCM 编译码集成电路 MC145503 PCM 编译码器 B U11：PCM 编译码集成电路 MC145503 帧同步信号产生器 U3：8 位数据产生器 74HC151；U4:A：与门 7408 复接器 U9：或门 74LS32晶振、分频器 1、分频器 2 及抽样信号（时隙同步信号）产生器构成一个定时器，为
6、两个 PCM 编译码器提供 2.048MHZ 的时钟信号和 8KHZ 的时隙同步信号。在实际通信系统中，译码器的时钟信号(即位同步信号)及时隙同步信号(即帧同步信号)应从接收到的数据流中提取，方法如实验五及实验六所述。此处将同步器产生的时钟信号及时隙同步信号直接送给译码器。由于时钟频率为 2.048MHZ，抽样信号频率为 8KHZ，故 PCM-A 及 PCM-B 的码速率都是2.048MB，一帧中有 32 个时隙，其中 1 个时隙为 PCM 编码数据，另外 31 个时隙都是空时隙。PCM 信号码速率也是 2.048MB，一帧中的 32 个时隙中有 29 个是空时隙，第 0 时隙为帧同步码(11
7、10010)时隙，第 2 时隙为信号 A 的时隙，第 1(或第 3、第 5、或第 6由拨码开关 S2 控制)时隙为信号 B 的时隙。本实验产生的 PCM 信号类似于 PCM 基群信号，但第 16 个时隙没有信令信号，第 0 时隙中的信号与 PCM 基群的第 0 时隙的信号也不完全相同。由于两个 PCM 编译码器用同一个时钟信号，因而可以对它们进行同步复接(即不需要进行码速调整)。又由于两个编码器输出数据处于不同时隙，故可对 PCM-A 和 PCM-B 进行线或。本模块中用或门 74LS32 对 PCM A、PCM B 及帧同步信号进行复接。在译码之前，不需要对PCM 进行分接处理，译码器的时隙
8、同步信号实际上起到了对信号分路的作用。在通信工程中，主要用动态范围和频率特性来说明 PCM 编译码器的性能。动态范围的定义是译码器输出信噪比大于 25dB 时允许编码器输入信号幅度的变化范围。PCM 编译码器的动态范围应大于图 11-6 所示的 CCITT 建议框架（样板值） 。当编码器输入信号幅度超过其动态范围时，出现过载噪声，故编码输入信号幅度过大时量化信噪比急剧下降。MC145503 编译码系统不过载输入信号的最大幅度为 5VP-P。由于采用对数压扩技术，PCM 编译码系统可以改善小信号的量化信噪比，MC145503 可采用 A 律 13 折线对信号进行压扩。当信号处于某一段落时，量化噪
9、声不变(因在此段落内对信号进行均匀量化)，因此在同一段落内量化信噪比随信号幅度减小而下降。13 折线压扩特性曲线将正负信号各分为 8 段，第 1 段信号最小，第 8 段信号最大。当信号处于第一、二段时，量化噪声不随信号幅度变化，因此当信号太小时，量化信噪比会小于 25dB，这就是动态范围的下限。MC145503 编译码系统动态范围内的输入信号最小幅度约为 0.025Vp-p。-10 0 -20 -30 -40 -5034253128 S/N(db) 输 入 电 平（ dbmo）图 11-3 PCM 编译码系统动态范围样板值常用 1KHZ 的正弦信号作为输入信号来测量 PCM 编译码器的动态范围
10、。语音信号的抽样信号频率为 8KHZ，为了不发生频谱混叠，常将语音信号经截止频率为3.4KHZ 的低通滤波器处理后再进行 A/D 处理。语音信号的最低频率一般为300HZ。MC145503 编码器的低通滤波器和高通滤波器决定了编译码系统的频率特性，当输入信号频率超过这两个滤波器的频率范围时，译码输出信号幅度迅速下降。这就是 PCM 编译码系统频率特性的含义。SER图11-4PCM编译码模块电原理图（1）时钟电路图11-4PCM编译码模块电原理图（2）编译码电路四、实验步骤1实验连线关闭系统电源，进行如下连接：源端口 目的端口正弦信号源：OUT1 PCM&ADPCM 编译码单元：STA正弦信号源
11、：OUT2 PCM&ADPCM 编译码单元：STBPCM&ADPCM 编译码单元：PCM A OUT PCM&ADPCM 编译码单元：PCM A INPCM&ADPCM 编译码单元：PCM B OUT PCM&ADPCM 编译码单元：PCM B INPCM&ADPCM 编译码单元：PCM_IN PCM&ADPCM 编译码单元：PCM_OUT2. 熟悉 PCM 编译码模块，开关 K1 接通 SL1(或 SL3、SL5、SL6)，打开电源开关。3用示波器观察 STA、STB，将其幅度调至 2V。 4. 用示波器观察 PCM 编码输出信号。 当采用非集群方式时： 测量 A 通道时：将示波器 CH1
12、接 SLA（示滤波器扫描周期不超过 SLA 的周期，以便观察到一个完整的帧信号） ，CH 2接 PCM A OUT，观察编码后的数据与时隙同步信号的关系。 测量 B 通道时：将示波器 CH1 接 SLB， （示滤波器扫描周期不超过 SLB 的周期，以便观察到一个完整的帧信号） ，CH 2接 PCM B OUT，观察编码后的数据与时隙同步信号的关系。 当采用集群方式时：将示波器 CH1 接 SL0， （示滤波器扫描周期不超过 SL0 的周期，以便观察到一个完整的帧信号） ，CH 2分别接 SLA、PCM A OUT、SLB、PCM B OUT以及 PCM_OUT，观察编码后的数据所处时隙位置与时
13、隙同步信号的关系以及 PCM信号的帧结构（注意：本实验的帧结构中有 29 个时隙是空时隙，SL0、SLA 及SLB 的脉冲宽度等于一个时隙宽度） 。开关 S2 分别接通 SL1、SL2、SL3、SL4，观察 PCM 基群帧结构的变化情况。5. 用示波器观察 PCM 译码输出信号示波器的 CH1 接 STA，CH2 接 SRA，观察这两个信号波形是否相同(有相位差)。示波器的 CH1 接 STB，CH2 接 SRB，观察这两个信号波形是否相同(有相位差)。6. 用示波器定性观察 PCM 编译码器的动态范围。将低失真低频信号发生器输出的 1KHZ 正弦信号从 STA-IN 输入到 MC145503
14、 编码器。示非集群方式集群方式波器的 CH1 接 STA（编码输入） ，CH2 接 SRA（译码输出） 。将信号幅度分别调至大于 5VP-P、等于 5VP-P，观察过载和满载时的译码输出波形。再将信号幅度分别衰减10dB、20dB、30dB、40dB、45dB、50dB，观察译码输出波形(当衰减 45dB 以上时，译码输出信号波形上叠加有较明显的噪声)。7. 定量测试 PCM 编译码器的动态范围和频率特性。图 11-7 为动态范围测试方框图。音频信号发生器(最好用低失真低频信号发生器)输出1KHZ 正弦信号，将幅度调为 5Vp-p（设为 0dB） ，测试 S/N，再将信号幅度分别降低10dB、
15、20dB、30dB、45dB、50dB，测试各种信号幅度下的 S/N，将测试数据填入表 11-1。音 频信 号 源 可 变衰 减 器 编 码 器失 真 仪译 码 器 示 波 器图 11-7 动态范围测量框图表 11-1信号幅度(dB) 0 -10 -20 -30 -40 -45 -50S/N(dB)频率特性测试框图如图 11-8 所示。将输入信号电压调至 2Vp-p左右，改变信号频率，测量译码输出信号幅度，将测试结果填入表 11-2。音 频 信 号 源 编 码 器 译 码 器 示 波 器图 11-8 频率特性测试框图表 11-2输入信号频率(KHZ)4 3.8 3.6 3.4 3.0 2.5
16、2.0 1.5 1.0 0.5 0.3 0.2 0.1输出信号幅度(V)8. 两人通话实验本模块提供了两个人通话的信道。由于麦克风输出的信号幅度比较小，需放大到 2Vp-p左右再由 STA 和 STB 输入到两个编码器。译码器输出信号由 SRA 和 SRB 输出，其幅度较大(与 STA-IN、STB-IN 相同)，需衰减到适当值后再送给扬声器。在话筒输入放大电路中，可以通过调整可调电阻 R18 来改变输出增益。在语音输出放大电路中，可以通过调整可调电阻 R12 和 R22 来改变输出音量。在实验时，只需将话筒输出信号从 MIC_OUT 端口连接到 STA（或 STB） ，再将译码后的语音信号从 SRA（或 SRB）连接到 MIC_IN 即可，但需将 STA 或 STB 端口的的原有连线去除。五、实验报告要求及思考题1. 整理实验记录，画出量化信噪比与编码器输
